Aufmacher Next_Gen_Charging_wo_layers

(Bild: DNV GL)

Die individuelle Mobilität wird derzeit von drei großen weltweiten Trends geprägt: Vernetzung, Autonomisierung, Elektrifizierung. Alle drei wirken sich stark auf das elektrische Bordnetz und die E/E-Architektur (elektrische und elektronische Architektur) künftiger Fahrzeuge aus. Vernetzte, automatisierte und elektrifizierte Fahrzeuge werden viel mehr Daten produzieren, verarbeiten und kommunizieren als heutige Fahrzeuge. Drahtlose Vernetzung über die Luftschnittstelle (zum Beispiel 5G, V2X) schafft zudem die Voraussetzungen für die Kommunikation mit anderen Fahrzeugen, mit der Infrastruktur und auch für Software-Updates Over-the-Air (OTA).

Gleichzeitig werden in elektrifizierten Fahrzeugen hohe Ströme und große Leistungen fließen. Schon heute verfügen Elektroautos über 120 kW und mehr an Antriebsleistung. Die hohen Ströme für solche Antriebe erzeugen starke elektromagnetische Felder, so dass benachbarte Signalleitungen und die Elektronik vor Einstrahlungen und Störungen geschützt werden müssen (hohe Datenraten bis zu 20 Gbit vs. hohe Leistung). Somit bewirken alle drei weltweiten automobilen Megatrends höhere Anforderungen an die physikalische Schicht als Grundlage für die kommende Funktionalität sowie deren Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit.

Rahmenbedingungen für die Elektromobilität

Die Nutzung von Strom als Antriebsenergie im Fahrzeug dient dazu, den Einsatz fossiler Brennstoffe für das Fahren trotz global wachsendem Mobilitätsbedarf zu reduzieren. Gleichzeitig lassen sich die immer strengeren Grenzwerte für den Ausstoß des Klimagases CO2 pro Kilometer Fahrstrecke mittel- und langfristig nur mit einem elektrifizierten Antrieb erreichen, also mit Hybriden und reinen Elektrofahrzeugen (EV). Noch ist die Marktdurchdringung mit Elektrofahrzeugen sehr gering, allerdings mehren sich die Anzeichen, dass dieser bisher langsame Trend inzwischen Fahrt aufnimmt.

Bild 1: Quantifizierungslogik des Stromprofils in Bild 2.

Bild 1: Quantifizierungslogik des Stromprofils in Bild 2. TE Connectivity

Um Elektromobilität erfolgreich zu machen, gilt es, auch weiterhin einige Hürden zu überwinden. Kaufhemmnisse wie der hohe Preis und die begrenzte Reichweite verlieren nur langsam an Bedeutung. Positiv dazu trägt bei, dass die Batteriekosten pro kWh weiter sinken, während die Kapazität der Batterie und damit die Reichweite des Fahrzeugs steigen. Gleichzeitig wird inzwischen merklich in den Ausbau der Ladeinfrastruktur investiert, so dass auch lange Fahrten mit einem EV möglich werden.

Die Grundlage für lange Fahrten schafft das Superschnellladen mit Gleichstrom (DC-Laden) und einer hohen Ladeleistung von künftig beispielsweise 350 kW beim High-Power-Gleichstromladen (High-Power-Charging, HPC DC). Zum Vergleich: Die meisten EV sind heute für das Wechselstromladen (AC-Laden) mit 2,3 kW (1-phasiger Haushaltsstrom) und bis zu 22 kW (3-phasiger Wechselstrom) ausgelegt. Vor allem Premiummodelle verfügen aktuell auch über die Möglichkeit zum DC-Laden bis zu 150 kW mit der Alternative, (langsames) AC-Laden ebenfalls zu nutzen, wenn keine DC-Ladesäule erreichbar ist. Generell ist die Sorge, mit einem EV womöglich liegen zu bleiben, unverändert ein ernst zu nehmender psychologischer Faktor.

Bedeutung des HPC

Bisher wurde bei der Elektromobilität in der Regel mehr über das Fahren nachgedacht als über das Laden. Dahinter stecken erst allmählich reifende Geschäftsmodelle zweier verschiedener Industriezweige: Fahrzeughersteller (OEM) und Energiewirtschaft. Aktuell gilt folgendes:

Global gesehen unterscheiden sich die Nutzerprofile für EVs. Während europäische EV-Fahrer grundsätzlich auch die Möglichkeit haben wollen, lange Strecken mit ihrem Fahrzeug zurückzulegen, nutzen EV-Fahrer in Asien (auch bedingt durch einen besser entwickelten intermodalen Verkehrsverbund) ihre Fahrzeuge eher für kürzere Strecken in Megacities. Mit der Möglichkeit zum HPC DC eignen sich EVs optimal für alle denkbaren Nutzerprofile.

Zudem ist der Ausbau der innerstädtischen AC-Ladeinfrastruktur allein nur bedingt zielführend, weil die geringe Ladeleistung eine lange Standzeit bedeutet, so dass Ladestationen lange belegt sind. Bei vielen EVs würde das den Bedarf an Ladepunkten nach oben treiben. Dies gilt insbesondere für Laternenparker, für die der Halter keinen eigenen Stellplatz und damit keine eigene Lademöglichkeit hat.

Für AC-Ladestationen spricht, dass sie eine bidirektionale Nutzung der angeschlossenen Fahrzeuge erlauben. Während DC-Ladestationen reine Energiequellen für das EV sind, können Fahrzeuge, die länger als die eigentliche Ladezeit (zu Hause oder am Arbeitsplatz) an einer AC-Ladestation hängen, in Spitzenlastzeiten auch als dezentrale Energiequelle für das Stromnetz dienen und damit einen ökonomischen Nutzen generieren, der sich monetär positiv für den Halter auswirken kann. Damit sind beide Ladetechniken sinnvoll.

Steigende Batteriekapazitäten (und damit größere Reichweiten) lassen sich nur dann sinnvoll nutzen, wenn größere Batterien nicht zu noch längeren Ladezeiten führen.

Neue Nutzungsmodelle für EVs, wie etwa autonom fahrende Robotaxis, basieren in ihrer Wirtschaftlichkeit darauf, dass sie möglichst 24/7 fahren, denn nur im Betrieb amortisieren sie sich. Auch in diesem Fall ist ein langsames AC-Laden nicht gut mit dem Einsatzzweck vereinbar.

Bild 2a: Stromprofil im Vergleich zwischen Fahren und Laden.

Bild 2a: Stromprofil im Vergleich zwischen Fahren und Laden. (Teil 1) TE Connectivity

Bild 2b: Stromprofil im Vergleich zwischen Fahren und Laden.

Bild 2b: Stromprofil im Vergleich zwischen Fahren und Laden. (Teil 2) TE Connectivity

Mit einer Ladeleistung von 350 kW ließen sich in maximal 10 Minuten bis zu 300 km Reichweite „nachtanken“. Damit werden Ladestopps beim EV zu vertretbar kurzen Pausen (ganz ähnlich wie Tankstopps beim Fahrzeug mit Verbrennungsmotor), und DC-Ladepunkte werden sehr schnell wieder frei für das nächste Fahrzeug.

Allerdings bedeuten 350 kW Ladeleistung mit Stromstärken bis zu 500 A eine Spitzenbelastung für den gesamten Strompfad vom Ladepunkt bis zur Fahrzeugbatterie. Der hohe Stromfluss entlang dieser Strecke bewirkt durch die physikalisch unvermeidlichen elektrischen Widerstände aller Komponenten (Steckverbinder, Kabel) eine hohe Verlustwärme. Diese Wärme muss bei der Auslegung aller elektrisch leitenden Komponenten berücksichtigt werden, um entweder Überlastungen/Überhitzungen zu vermeiden oder (wie heute teilweise üblich) eine kontrollierte Senkung des Ladestroms (Derating) planen zu können, wenn beispielsweise die Batterie beim Ladevorgang zu warm wird. Ein solches Derating schützt zwar die Batterie, aber es verlängert auch die Ladezeit. Insofern gilt es, diesen Zielkonflikt optimal zu lösen, indem das Wärmemanagement den genauen Zustand aller Komponenten in deren Struktur zu jeder Zeit kennt oder vorhersagen kann.

Herausforderung HPC

Das HPC DC stellt eine Spitzenbelastung für das elektrische System eines EV dar. In keiner anderen Betriebssituation fließt für einen längeren Zeitraum derart viel elektrische Energie vom Ladepunkt zum Fahrzeug und im Fahrzeug. Selbst bei hochagilem Fahren mit hohen Lastanforderungen durch den Fahrer werden dauerhaft keine vergleichbaren Ströme erreicht. Mit dem hohen Ladestrom geht auch eine starke Erwärmung der stromführenden Komponenten einher, was im Stillstand kritischer ist als beim Fahren, weil im Stand keine Konvektion für die Kühlung verfügbar ist. Will man ein DC-Schnellladen also aus den eingangs genannten Gründen ermöglichen, so muss das elektrische System vom Ladepunkt bis zur Fahrzeugbatterie dafür elektrisch und thermisch ausgelegt sein.

Vor allem eines erweist sich dabei als Herausforderung: Je höher der Strom, desto größer muss der Kabelquerschnitt bei gleichbleibender Spannung sein, um diese Leistung zu transportieren, ohne dabei zu überhitzen. Im Fahrzeug ist das in erster Linie eine Frage des Gewichts und des verfügbaren Bauraums. Es macht beispielsweise einen deutlichen Unterschied, ob man mit 50 mm2 Leiterquerschnitt vom fahrzeugseitigen Anschluss für den Stecker des Ladekabels (Inlet) zur Batterie auskommt, oder doch auf bis zu 95 mm2 verstärken muss. Deshalb bietet es sich auch an, die Spannung zu erhöhen, da sich bei höherer Spannung dieselbe Leistung bei reduziertem Strom transportieren lässt, denn die Leistung ist bekanntlich das Produkt aus Strom und Spannung. So erklärt sich der Übergang einzelner OEM von 400 V Systemspannung auf 800 V, denn damit lassen sich größere Kabelquerschnitte vermeiden.

Was im Fahrzeug unerwünschte zusätzliche Masse ist, stößt auch bei fest an die Ladeinfrastruktur angeschlossenen Ladekabeln (Mode-4-Anschlüsse) an Gewichtsgrenzen: Beim Realisieren eines HPC DC ist es wichtig, jede Überdimensionierung des Kabels und aller beteiligten elektrischen Kontaktstellen zu vermeiden. Aus Gewichts- und Bauraumgründen gilt das auch für das EV, denn zusätzliche Masse bedeutet einen höheren Energiebedarf und somit geringere Reichweite. Allerdings gehen systemische Optimierungen oft mit der Erhöhung von Komplexität einher und müssen daher stets sorgfältig abgewogen werden.

Auslegung elektrischer Komponenten

Die bisherige Vorgehensweise zur Auslegung der elektrischen Komponenten entlang eines Hochvolt-Strompfades (HV-Pfad) basiert ursprünglich auf Annahmen, die für hoch dynamische Fahrprofile und das Anforderungsprofil des HPC DC im Fahrzeug weniger geeignet sind. Geltende Normen und Standards basieren auf statischen Lastpunkten (und ursprünglich auch auf elektrischen Anwendungen zur Bemessung von Relais und Sicherungen), die mit statistischen Verfahren gemittelt und in ihrer Häufigkeit und Bedeutung gewichtet werden. Daraus resultiert ein Effektivwert, der die statischen Bedingungen abbildet (Bild 1).

Für dieses – in der Realität nichtzutreffende – Lastprofil werden elektrische Anschlusskomponenten mit einem Sicherheitszuschlag von beispielsweise +20 % ausgelegt. Im EV unterscheidet sich das tatsächliche Lastprofil jedoch dramatisch von bisherigen Fahrzeuganwendungen und von den Effektivwerten (Bild 2).

Bild 2 zeigt sehr deutlich, warum die thermische Auslegung im Hinblick auf das Laden so wichtig ist. Während sich beim Fahrbetrieb eine sehr dynamische Stromkurve ergibt, die von einem Lastwechsel zwischen hoher und niedriger Last charakterisiert ist, wird die hohe Dauerlast beim HPC DC von der aus dem Fahrprofil abgeleiteten Kurve überhaupt nicht abgedeckt. Will man eine Spitzenbelastung mit 350 kW Ladeleistung ermöglichen, so benötigt man eine andere Herangehensweise an die Auslegung der elektrischen Komponenten. Während die in der Batterie eines EV gespeicherte Leistung beim Fahren typischerweise im Verlaufe mehrerer Stunden abgerufen wird, fließt während des HPC DC binnen weniger Minuten die drei- bis vierfache Leistung in die Batterie. Deshalb muss man den gesamten HV-Pfad systemisch in seiner Verhaltensweise während des Ladens betrachten (Bild 3). Gemittelte Werte sind aus den genannten Gründen dafür nicht sinnvoll.

Bild 3: Unterschiedlich belastete Komponenten entlang des Strompfades im EV.

Bild 3: Unterschiedlich belastete Komponenten entlang des Strompfades im EV. TE Connectivity

Entscheidend ist dabei das Wissen darüber, wo bei Dauerlast Übertemperaturen entstehen, die zu einem kritischen Zustand führen können. Dieser thermische Aspekt bedarf genauerer Betrachtung. Das ist mit den heute verwendeten Verfahren nicht möglich – mit dem Ergebnis, dass aktuelle Systeme aus Sicherheitserwägungen um einen Faktor X statisch überdimensioniert werden. Allerdings kann man sich das bei 350 kW Ladeleistung aus Gründen des Gewichts, des Bauraums und der Handhabbarkeit prinzipiell nicht mehr leisten. TE Connectivity ist durch aktive Mitarbeit im ZVEI engagiert in der Entwicklung eines neuen Ansatzes zur Bewertung. Dabei geht es um eine Methodik, die es dynamisch ermöglicht, den Temperatureintrag durch Komponenten und die Entwärmung im System mit etablierten Simulationsmethoden (bekannt aus elektrischen Systemen) zu jedem Zeitpunkt zu ermitteln, um auf dieser Basis die Auslegung der verwendeten Komponenten frühzeitig untersuchen sowie deren Verhalten im Betrieb vorhersagen zu können.

Es geht allerdings nicht darum, den Sicherheitsfaktor zu verringern – im Gegenteil. Mit einer neuen Auslegungsmethodik auf Basis einer realitätsnahen systemischen Wärmesimulation entlang des gesamten HV-Pfades soll gerade erst ein sicherer Langfristbetrieb bei gleichzeitig gut handhabbarer Dimensionierung ermöglicht werden. Die systemische Wärmesimulation (Model-Based Thermal Simulation) schafft eine überprüfbare Grundlage für künftige Lastprofile und damit den Nachweis der Sicherheit, Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aller Verbindungskomponenten entlang des HV-Pfades.

Begründung der Wärmesimulation

Bedingt durch die Physik der Stromübertragung entstehen entlang eines kabelgebundenen Stromflusses Verlustleistungen in Form von Wärme. Ursache dafür ist der elektrische Widerstand aller metallischen Leiterelemente. Dieser Widerstand ist für den Ausgangszustand jedes Elements im HV-Pfad bekannt; er ändert sich jedoch mit der Erwärmung im Betrieb. Es ist berechenbar, welche Verlustleistung bei einem bestimmten Strom, einer bestimmten Spannung und einer bestimmten Temperatur an einer Komponente auftritt. Damit ist auch die entstehende Wärme berechenbar – bisher allerdings nur im stationären Zustand, wenn alle Wärmetransporte im ausgeglichenen Zustand sind. Es gab bisher wenig praktikable Verfahren, mit denen sich das Verhalten des gesamten Systems „HV-Pfad“ dynamisch vorausberechnen ließ. Wollte man dazu die bekannte Methode der Finiten Elemente (FEM) anwenden, so müsste man in schneller Folge für jeden Betriebspunkt separat rechnen. Eine betriebsbegleitende thermische Berechnung in Echtzeit (im Fahrzeug) erfordert ein anderes Verfahren, das mit viel weniger Rechenkapazität auskommt.

Ein Teil der Herausforderung liegt darin, dass die Wärmeflüsse in einem HV-Pfad ein verhältnismäßig träges System bilden. Je nachdem welche Masse eine Komponente hat und worin die nächsten erreichbaren Wärmesenken bestehen reagieren einzelne Komponenten unterschiedlich auf schwankende Lastprofile. Komponenten mit geringer Masse und nur begrenzter Möglichkeit zur Wärmeabfuhr können daher zu einem Engpass für das Wärmemanagement werden. Wenn für die erzeugte Wärme keine genügende Ableitung mehr besteht, so verhält sich die Komponente vorübergehend als adiabatisches Element (= ein Zustand ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung), dessen Erwärmung von außen nicht mehr beeinflussbar ist. Solche Wärmeengstellen müssen in ihrem Verhalten genau verstanden werden, um ein System nicht unnötigerweise zu begrenzen oder zu stressen.

Hinzu kommt, dass die Wärmeableitung auf unterschiedlichen Wegen erfolgt: Neben dem Wärmetransport im Material (Wärmeleitung) gibt es noch die Anteile für Wärmeabstrahlung und die Wärmeabfuhr durch kühlende Luft- beziehungsweise Kühlmittelströme (Konvektion). Für jede Komponente entlang des HV-Pfades setzen sich diese drei Faktoren unterschiedlich zusammen. So sind die Bedingungen für die Wärmeabfuhr am Inlet vergleichsweise günstig, weil die Verlustwärme hier beim HPC DC über die aktive Kühlung des CCS-Steckers mit abgeführt werden kann. Der Batteriestecker hingegen hat diese aktive Wärmesenke in vielen Fällen nicht. Damit gilt für die Leitung zwischen Inlet und Batterie: Die Bedingungen für die Wärmeabfuhr sind an einem Ende anders als am anderen Ende.

Mit der Erhitzung elektrischer Komponenten geht ein Alterungsprozess einher, der die elektrischen (und/oder mechanischen) Eigenschaften der Komponente über die Zeit verändert. Je stärker die Erwärmung, desto schneller der Alterungsprozess und desto geringer die Restleistungsfähigkeit der Komponente. Auf die typische Lebensdauerannahme eines Fahrzeugs (300.000 km / 15 Jahre / 8000 Betriebsstunden) gesehen beeinflussen die tatsächlichen Lastprofile die Alterung jeder Komponente. Addiert man 30.000 Stunden Ladezeit (kombiniert AC- und DC-Laden) über die Fahrzeuglebensdauer hinzu, so bietet die systemische Simulation eine Lösung für die umfangreichen Testprofile.

Erkannte Aufgabenstellung:

Bild 4: Entsprechung zwischen elektrischen und thermischen Größen als Grundlage für Ersatzschaltbilder.

Bild 4: Entsprechung zwischen elektrischen und thermischen Größen als Grundlage für Ersatzschaltbilder. TE Connectivity

Hier ist somit dringend eine andere Vorgehensweise gefordert, um frühzeitig zu einer sicheren, wirtschaftlich darstellbaren Konstruktion des Strompfades für das HPC DC zu kommen und dafür auch den Sicherheitsnachweis antreten zu können. Mit dem Mittel einer bewährten systemischen Wärmesimulation ist es kein Problem, automatisiert eine nahezu beliebige Zahl an denkbaren Lastprofilen vorab abzuprüfen. Mögliche Engpässe im thermischen System werden dabei sichtbar und lassen sich konstruktiv beheben. So entfällt der Aufwand für die Fehlersuche ex-post. Dieser investigative Aufwand ist aktuell beträchtlich – gerade weil das thermische System so komplex ist und die eigentliche Fehlerursache möglicherweise gar nicht direkt in der diagnostizierten Komponente liegt sondern im Verhalten einer benachbarten Komponente im Wärmepfad.

Systemisches Simulationsverhalten

Das hier vorgestellte neue systemische Simulationsverfahren für die Verlustleistungen entlang des HV-Pfades unter dynamisch wechselnden Lastbedingungen basiert im Kern auf den Kirchhoff‘schen Gleichungen. Seine aus der Elektrotechnik bekannte Maschenregel und Knotenregel beispielsweise besagt, dass die Summe aller Ströme in einem Knoten und die Summe aller Spannung entlang einer Masche gleich Null sein muss. Dabei gilt auch, dass die Energie stets erhalten bleibt. Der Anteil, der durch den elektrischen Widerstand in Wärme umgesetzt wird (= die Verlustwärme) geht also nicht verloren, sondern dieser Wärmeanteil entspricht exakt der Differenz zwischen eingeleiteter elektrischer Energie und am Zielsystem verfügbarer elektrischer Energie.

Die Ersatzschaltbilder nutzen den direkten und linearen Zusammenhang zwischen elektrischem und thermischem Verhalten (Bild 4). Elektrische Ersatzschaltbilder (Bild 5) dienen dazu, das gekoppelte elektrische und thermische Verhalten zu simulieren. So wie eine Spannung einen Strom durch einen Widerstand treibt, erzeugt eine Temperaturdifferenz einen Wärmetransport. Die physikalisch unterschiedlichen Transportformen (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) fungieren dabei jeweils als thermische Widerstände. Hinterlegte mathematische Formeln im Komponentenmodell berechnen laufend die entstehende Wärme je nach anliegendem Strom und anliegender Spannung bei der jeweiligen Umgebungstemperatur. Auf dieser Basis (= Wärmeentstehung) fungieren die verschiedenen Möglichkeiten der Wärmeableitung im Ersatzschaltbild als Widerstände (thermische Barrieren) und thermische Massen/Kapazitäten, welche die zeitlich aufgelöste Wärmeleitung im Leiterwerkstoff durch Abstrahlung und Konvektion repräsentieren. Mit diesem vergleichsweise einfachen Verfahren lassen sich sowohl einzelne Kontakte (etwa eine Kontaktfeder) als auch ganze Komponenten (etwa ein Steckverbinder, wie in Bild 6) und auch ein HV-Pfad simulieren, weil Wärmeentstehung und Wärmeableitung durch die Maschenbildung berechenbar sind.

Wo es von Kabelherstellern inzwischen entsprechende Modelle gibt, lassen sich auch die Zwischenstrecken berechnen. Die Einbindung von Komponenten unterschiedlicher Hersteller  das ist im Bordnetz der Regelfall – stellt kein Problem dar, weil nur die jeweils herstellerspezifischen elektrischen Parameter bereitgestellt und eingegeben werden müssen. Anschließend erfolgt im Modell die Übergabe an die Mathematik, die für die Berechnung nach den Kirchhoff‘schen Gleichungen sorgt.

Bild 5: Ersatzschaltbild für die thermische Simulation: Widerstände repräsentieren die drei Wärmetransportformen.

Bild 5: Ersatzschaltbild für die thermische Simulation: Widerstände repräsentieren die drei Wärmetransportformen. TE Connectivity

Das Modell beschreibt also die Wärmeentstehung und den Wärmeaustausch mit der Umgebung. Die Modellierung beantwortet unter anderem folgende Fragen: Wo sind Wärmequellen und -senken? Ab wann werden die Temperaturen für die Komponente gefährlich, und ab wann verkürzen sie deren Lebensdauer? Wie sieht das Ganze im Cluster aus? Wo entstehen adiabatische Zustände und wie wirken sie sich aus?

Im Zuge der Modellentwicklung wurde in Iterationszyklen zwischen Simulation und Test (Rohdaten aus dem Laborversuch) der mathematische Anteil des Modells optimiert, bis die Vorhersagegenauigkeit der Simulation den Testergebnissen entsprach. Mit diesem Verfahren lassen sich bei minimaler Rechenleistung dynamische Lastprofile für jede einzelne Komponente sowie für den HV-Pfad abprüfen.

Sicherheitszuwachs

Die erforderliche Rechenleistung für die Thermosimulation auf Basis von elektrischen Ersatzschaltbildern ist gering, so dass es ohne weiteres möglich ist, diese Berechnung als Routine in einem fahrzeugtypischen elektronischen Steuergerät mitlaufen zu lassen. Somit besteht die Möglichkeit, die real herrschenden Lastprofile in Echtzeit zu berechnen; diese Simulation verbessert dann die Datenbasis für die Funktionssicherheit. Simulation und Sensordaten können sich hier gegenseitig als inhomogene Diagnostikroutinen ergänzen. In automatisierten Fahrzeugen, bei denen aus Sicherheitsgründen eine mehrfache Redundanz gefordert ist, kann das ein Beitrag zum Sicherheitskonzept sein.

HV-Komponenten für das Fahrzeug auslegen

Mit der systemischen Wärmesimulation wird die belastungsgerechte Auslegung von HV-Komponenten für das Fahrzeug wesentlich realitätsnäher. Klassische Industrieprodukte für hohe Ströme bieten hier ja ohnehin nicht die richtige Lösung, weil sie für nichtzutreffende Bedingungen entwickelt wurden. So sind Industriesteckverbinder für 200 bis 400 A beispielsweise viel zu schwer und zu sperrig für das Fahrzeug. Gleichzeitig ist der Kostendruck in der Automobilanwendung enorm, während gleichzeitig die Kontaktoberflächen mit minimalem Materialeinsatz hohe Ströme tragen müssen.

Unter diesen Randbedingungen ist es von hohem Wert, wenn man das Verhalten des Produktes schon in der Entwicklung vorhersagen kann, weil die systemische und dynamische Wärmesimulation die Auswirkungen von realem Verschleiß im späteren Betrieb sauber aufzeigen kann. So lässt sich ein komplexes System wie der HV-Pfad simulieren und sein Verhalten vorhersagen. Die Simulation kann dabei eine Breite abdecken, die im Test niemals realisierbar wäre.

Fazit

Bild 6: In Maschen aufgelöster Steckverbinder: Äquivalenz zwischen den elektrischen Kontaktstellen eines Steckverbinders und der thermischen Simulation.

Bild 6: In Maschen aufgelöster Steckverbinder: Äquivalenz zwischen den elektrischen Kontaktstellen eines Steckverbinders und der thermischen Simulation. TE Connectivity

Ein HPC DC stellt im EV ein ganz außerordentliches Nutzungsprofil dar, das es sonst in keinem anderen Betriebszustand des Fahrzeugs gibt. In dem komplexen und trägen Wärmesystem des HV-Pfades können beim Laden ganz unterschiedliche Temperaturprofile an einzelnen Komponenten auftreten. Um 350 kW Ladeleistung sicher nutzen zu können, muss man den gesamten HV-Pfad mit dynamischen Lastprofilen systemisch simulieren, um mögliche Wärmeengstellen unter realen Betriebsbedingungen erkennen und in ihrer Wirkung beurteilen zu können. Eine Simulation muss außerdem übergreifend funktionieren sowie die gesamte Wertschöpfungskette zwischen Tier-2, Tier-1 und OEM abdecken.

Die systemische Wärmesimulation von HV-Komponenten auf der Grundlage von Ersatzschaltbildern liefert Daten für ein optimiertes Design, bei dem mittels realer dynamischer Simulation sichtbar wird, wie oft Komponenten an der Temperaturgrenze betrieben werden dürfen, um die geforderte Langzeitstabilität und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu erreichen. Diese Datengrundlage erlaubt bei optimierter Auslegung des HV-Pfades einen größeren Sicherheitszuwachs, weil die simulierte thermische Belastung die Realität und mögliche Alterungsprozesse berücksichtigen kann.

Es wird das thermische Verhalten der Komponenten im Bordnetz simuliert, wobei akkumulierte Testprofile auf Basis dynamischer Lasten als Basis für den Komponententest dienen. Ziel ist es, die Komponenten des HV-Pfades so auszulegen, dass sie die kurzzeitige dynamische Last beim HPC DC (10 Minuten) mit hoher Leistung einerseits über den gesamten Lebenszyklus hinweg sicher tragen, während gleichzeitig eine statische Überdimensionierung vermieden wird. Die Simulation macht Hot Spots (vor allem passive Komponenten mit geringer thermischer Masse) sichtbar, die sich dann frühzeitig durch konstruktive Maßnahmen optimieren lassen. Damit leistet die systemische Thermosimulation von HV-Komponenten in der Entwicklung auch einen großen Beitrag zur Verbesserung der Validierungsgenauigkeit.

Uwe Hauck, Michael Leidner, Michael Ludwig, Helge Schmidt und Marco Wolf

arbeiten jeweils bei der TE Connectivity Germany GmbH

(av)

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